輸電電纜取電CT輸出性能的影響因素分析

李 平

(廣西鑫源電力勘察設(shè)計有限公司，廣西欽州，535000)

1 引言

隨著我國城鄉(xiāng)經(jīng)濟的發(fā)展，各地用電量每年不斷遞增。新建的智能電網(wǎng)為考慮未來5至10年的用電增長需求，輸電線路中使用的電纜通流能力都留有一定裕量，而且10kV及以上的高壓電纜都具有滿足相應(yīng)安全要求厚度的絕緣層。因此輸電網(wǎng)中大多數(shù)高壓電纜的外徑都大于50mm。此類電纜其在線監(jiān)測設(shè)備的取電CT一般選用內(nèi)徑120mm或者160mm的圓環(huán)形開合式CT。

此類型CT其單個個體尺寸較大，也相對較重。批量生產(chǎn)時，其小電流模式下的取電性能極為不穩(wěn)定。曾出現(xiàn)多起同批次CT(量大于100)，入廠驗收不良率達(dá)40%以上。與供應(yīng)商間來回處理、運輸不合格品，浪費人力、物力和時間成本。若對小電流模式下CT的輸出性能進行優(yōu)化，將進一步降低電纜在線監(jiān)測設(shè)備的啟動電流并提高設(shè)備供電的可靠性。

2 CT取電的原理簡述

CT感應(yīng)取電的主要工作原理與變壓器的工作原理相同，即應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)穿過環(huán)形鐵芯的原邊電流交流變化時，CT的二次繞組(用作取電CT的輸出端)將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于取電用的CT原副邊匝數(shù)比為1：n(n通常取幾十或上百匝)，而輸電線路電纜的最大電流可達(dá)上千安培。因此，CT的輸出端不能開路，否則將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，并造成鐵芯飽和而影響其壽命。當(dāng)CT輸出端接負(fù)載時，負(fù)載上將會產(chǎn)生相應(yīng)匝數(shù)比的感應(yīng)電流。

由文獻(xiàn)[1] 可知，采用在CT的輸出端加整流橋和旁路開關(guān)進行保護的電路方式進行取能，將不會出現(xiàn)鐵芯在原邊大電流情況下飽和以及輸出過電壓的問題。因此，下文不再闡述取電CT工作在電纜大電流的情況，主要在電纜小電流輸電模式下進行討論。

3 取電CT的制作方法

由文獻(xiàn)[2] 可知，圓環(huán)形CT的最優(yōu)輸出功率Pmax可由以下表達(dá)式計算：

(1)

式中，I為原邊電流，f為原邊電流的變化頻率，s為磁芯截面積，μ為磁芯磁導(dǎo)率，ln為有效磁路長度。

由公式(1)可知，當(dāng)其它變量固定時，CT的輸出功率與磁芯胚體的有效截面積成正比，與磁路長度成反比。磁路長度與磁芯的內(nèi)外徑相關(guān)，而磁芯最小內(nèi)徑由電纜的外徑?jīng)Q定。增大磁芯截面積也可以提高CT的輸出功率，然而截面積太大會增加制作成本和CT的重量，不利于后續(xù)加工、運輸以及塔上安裝。還可以通過提高磁導(dǎo)率來增大CT的輸出性能，CT的磁導(dǎo)率通常與磁芯胚體的材料相關(guān)。

輸電線路電纜通常使用于戶外桿塔引下、埋地、電纜溝、戶內(nèi)等場景，其在線監(jiān)測設(shè)備的取電CT也必須能用在戶外等場景，應(yīng)具有防水、防腐蝕、耐污等性能。

為了方便安裝和綜合成本考慮，大尺寸CT的磁芯一般選用圓環(huán)形胚體，材料為硅鋼。制作方法如下：

1)根據(jù)設(shè)備的功率需求確定胚體的最小截面積；

2)根據(jù)電纜的外徑確定胚體的內(nèi)外徑尺寸和外殼模具的尺寸；

3)根據(jù)電纜的負(fù)荷情況選定繞線匝數(shù)和線徑；

4)繞線完成后將鐵芯胚體放置在相應(yīng)模具內(nèi)，引出輸出線纜，然后澆注紅色環(huán)氧樹脂膠；

5)最后將灌好膠的CT從中間切成兩個半圓環(huán)并對切割面進行打磨。交付CT成品時采用抱箍鎖緊方式連同抱箍一起發(fā)貨。

以下按照取電CT的外形尺寸已經(jīng)確定的情況(比如內(nèi)徑為?160mm的成品CT)進行分析。

4 取電CT的檢測方式

取電CT的性能檢測主要為針對CT的重量、外形尺寸、繞線匝數(shù)以及取電性能等方面進行測試。

繞線匝數(shù)的測試方法為：參考圖1接線，將大電流發(fā)生器的輸出線纜從CT中間穿過(匝數(shù)為1)；將CT的輸出端短路。再把原邊線纜電流(交流)升至I1(如200A)，測試CT輸出端的短路電流I2，則可算出繞線匝數(shù)：

圖1 取電CT電性能的測試接線

(2)

CT取電性能的測試主要測試其小電流模式下的空載開路電壓。具體為：如圖1接線，將電流發(fā)生器的輸出線纜從CT中間穿過(匝數(shù)為1)；調(diào)節(jié)CT原邊線纜的電流至一個設(shè)定的小電流值(如10A)，測試CT輸出端的空載電壓。

根據(jù)實際工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，CT的空載電壓按如下指標(biāo)劃分：

常溫環(huán)境，相同原邊小電流下：

1) CT切割后的電壓小于切割前的65%，其輸出性能較差；

2) CT切割后的電壓為切割前的65%～70%，其輸出性能一般；

3) CT切割后的電壓為切割前的70%～75%(不含兩端點)，其輸出性能良好；

4) CT切割后的電壓大于等于切割前的75%，其輸出性能較優(yōu)。

5 工程問題及原因分析

取電CT在實際工程應(yīng)用中出現(xiàn)過以下問題：

1)部分CT閉合鎖緊后，在原邊小電流下，其空載輸出電壓較低，導(dǎo)致設(shè)備的啟動電流超出規(guī)定值。

經(jīng)排查分析原因有兩種：

a)部分CT閉合后其切割面有明顯縫隙(如圖2)，過大的氣隙降低了鐵芯磁導(dǎo)率；

圖2 切割面縫隙過大

b)環(huán)形鐵芯胚體先由硅鋼片一層層卷繞，成形后用膠水緊固。若胚體未完全緊固便開始繞線和澆注紅色環(huán)氧樹脂膠，紅膠將浸透硅鋼片層使其分隔開。后續(xù)切割CT時，單層硅鋼片由于硬脆而在切口處斷裂，使切割面存在條形裂縫(如圖3)，從而降低整體磁導(dǎo)率。

圖3 切面有條形裂紋

2)同批次CT在不同時間段測試結(jié)果差異較大。

經(jīng)分析為每次拆裝抱箍后，兩半CT不易對齊使鐵芯胚體稍微錯位或者切割面存在細(xì)小粉塵等異物，最終導(dǎo)致CT磁導(dǎo)率降低。

3)相同CT在供應(yīng)商處合格，入廠驗收卻不合格。

經(jīng)排查為CT切割后其空載輸出電壓受環(huán)境溫度影響。表1為實測3個不同編號的CT在不同低溫環(huán)境下，原邊電流為15A時的空載輸出電壓。測試結(jié)果表明：溫度越低，CT的輸出電壓越低。由于CT生產(chǎn)廠家位于深圳，而采購商位于武漢，在春冬季節(jié)，兩地環(huán)境溫度相差較大時，會出現(xiàn)兩地測試結(jié)果不一致。

表1 低溫影響CT的輸出電壓

4)杭州某110kV線路上新安裝的一批電纜在線監(jiān)測設(shè)備，連續(xù)出現(xiàn)4套設(shè)備的CT無法取電。

經(jīng)現(xiàn)場排查：均為電纜外徑較大，CT的內(nèi)徑已處于電纜外徑的臨界狀態(tài)，經(jīng)鋸床切割后會有1至2mm的材料損耗，使其不再為一個完整的圓環(huán)形。CT的最小內(nèi)徑小于電纜的外徑(如圖4)。導(dǎo)致CT安裝時其切面并未閉合，CT磁導(dǎo)率嚴(yán)重降低而無法取能。

圖4 CT內(nèi)徑稍小于電纜外徑

6 其它因素和改進思路

除上述工程應(yīng)用中的問題和原因外，影響CT輸出性能的因素還有：

1)鐵芯胚體的材料配比。鐵和硅在胚體中的含量占比會影響鐵芯的磁導(dǎo)率和銹蝕速率；

2)CT的防水密封工藝。開合式安裝的CT應(yīng)用在戶外時需要密封防水，傳統(tǒng)的防水密封方式為一半CT不動，另一半CT的兩端銑凸臺并安裝密封墊圈。兩半CT閉合時，密封膠墊與另一半未做處理的CT形成軟硬擠壓達(dá)到密封效果。但是，此方式不易控制膠墊的形變量，當(dāng)膠墊過厚時，兩半CT的切割面將會存在較大的氣隙而影響CT整體磁導(dǎo)率。

3)CT切割面的防銹工藝。硅鋼材料由于含鐵而容易生銹，CT切割面的銹蝕速率將影響其使用壽命。

4)CT的安裝工藝要求。安裝時兩半CT的胚體切面是否對齊，切面是否有細(xì)小微粒等也將影響CT的整體磁導(dǎo)率而降低其輸出性能。

綜上所述，提出如下優(yōu)化CT輸出性能的思路：

1)不斷試驗和優(yōu)化鐵芯材料的鐵硅配比，在磁導(dǎo)率和銹蝕速率方面選個最優(yōu)配方；

2)采用較優(yōu)的防水密封工藝和防銹工藝，避免因安裝導(dǎo)致胚體錯位和增加氣隙；

3)優(yōu)化胚體的制作工藝和繞線后的澆注工藝，以免在后續(xù)切割時造成切面有裂縫；

4)優(yōu)化CT的切割工藝和后續(xù)打磨工藝，比如將鋸床切割改為線切割，減小CT的材料損耗和閉合氣隙；

5)進一步深入研究CT切割后其輸出性能受低溫影響的原因，分析是否溫度影響胚體的形變或磁導(dǎo)率，以便進一步優(yōu)化；

6)規(guī)范安裝工藝要求，并對安裝人員進行安裝指導(dǎo)培訓(xùn)。

7 結(jié)論

CT取電由于其取電技術(shù)成熟和輸出功率較大的優(yōu)勢，將會長期成為智能電網(wǎng)中各在線監(jiān)測設(shè)備的主流供電方式。文章對取電CT的制作、測試、輸出性能的影響因素和改進思路等方面進行了相關(guān)論述。針對圓環(huán)形開合式CT，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)取電CT應(yīng)用在其輸出端加整流橋和旁路開關(guān)進行保護的電路方式下，CT將不需再考慮原邊大電流情況的過壓和磁芯飽和問題。

2)提高小電流模式下CT的輸出性能將成進一步降低設(shè)備最小啟動電流的關(guān)鍵。

3)當(dāng)CT的內(nèi)外徑尺寸和繞線匝數(shù)固定不變時，磁芯的磁導(dǎo)率是影響小電流模式下CT輸出性能的主要原因。若磁芯胚體的材料選定則材料的磁導(dǎo)率亦確定，而開合式CT的最終磁導(dǎo)率受其氣隙影響。只有盡量減小CT的閉合氣隙，小電流下CT的輸出性能才能提高。因此優(yōu)化磁芯胚體的切割工藝和打磨工藝變得至關(guān)重要。

4)低環(huán)境溫度會對小電流模式下CT的輸出性能產(chǎn)生不利的影響，還需對溫度與CT的性能關(guān)系進行更深入的探究。